1905年，愛因斯坦橫空出世，以六篇極具原創(chuàng)性和顛覆性的論文徹底改變了現(xiàn)代物理學(xué)的面貌，其中更包括了相對(duì)論。《上帝擲骰子嗎：量子物理史話》的作者曹天元說，這一年，已然成為公認(rèn)的物理史上的“奇跡年”，與屬于牛頓的另一個(gè)奇跡年1666年相比，更富“奇跡”色彩。
問：您在《上帝擲骰子嗎：量子物理史話》中說，1905年是個(gè)奇跡年，為什么會(huì)這樣說？
曹天元：1905年是物理史上最偉大的年份之一，也是愛因斯坦一生中最光輝的時(shí)刻。“奇跡年”并不是我的發(fā)明，事實(shí)上，絕大多數(shù)科學(xué)史書籍和愛因斯坦的傳記都采用這種說法。
所謂“奇跡年”（拉丁文annus mirabilis），本來是形容牛頓在1666年的貢獻(xiàn)。那一年，牛頓回到鄉(xiāng)下老家躲避瘟疫，結(jié)果，在這段日子里，他單槍匹馬發(fā)明了微積分，完成了光分解的實(shí)驗(yàn)分析，據(jù)說還因?yàn)榭吹揭粋€(gè)蘋果從樹上落地，從而獲得啟發(fā)，對(duì)萬有引力定律進(jìn)行了開創(chuàng)性思考。換句話說，短短的一年時(shí)間，牛頓就為數(shù)學(xué)、光學(xué)和力學(xué)三大學(xué)科奠定了最重要的基礎(chǔ)。任何人只要畢生之年完成三樣中的一樣，就足以廁身歷史上最偉大的科學(xué)家之列。這樣的壯舉，確實(shí)令人瞠目結(jié)舌，可以說是前無古人，甚至在相當(dāng)長的一段時(shí)間里，人們都以為不會(huì)再有來者了。
然而，愛因斯坦在1905年橫空出世，極為戲劇性地打破了這種想法。那一年，還是專利局小職員的他連續(xù)發(fā)表了六篇論文，徹底地改變了現(xiàn)代物理學(xué)的面貌——
3月18日，《關(guān)于光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》（第一篇）；
4月30日，《分子大小的新測定法》（第二篇）；
5月11日，《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》（第三篇）；
6月30日，《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》（第四篇）；
9月27日，《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎》（第五篇）；
12月19日，《關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的理論》（第六篇）。
這六篇論文，構(gòu)成了1905這個(gè)奇跡年的全部，在科學(xué)史上可謂鼎鼎有名、如雷貫耳，甚至還有個(gè)專門的說法叫做“奇跡年論文”（annus mirabilis papers）。
1905年愛因斯坦在專利局辦公桌旁
問：這樣說來，奇跡是因?yàn)閻垡蛩固拱l(fā)表的論文。您能否詳細(xì)談?wù)勥@些論文對(duì)未來的科學(xué)發(fā)展以及人類科學(xué)史的意義？
曹天元：上述這六篇論文，按研究方向劃分，可以分為三類。首先，是分子測量和布朗運(yùn)動(dòng)方面的工作，即奇跡年論文中的第二、第三和第六篇。今天大家都知道，物質(zhì)是由原子和分子組成的，但在1905年情況卻非常不同。當(dāng)時(shí)，原子和分子模型雖然早已被提出，但在科學(xué)界卻依然只是一種假說。原因很明顯：分子太小了，從沒有人見過它們。那個(gè)年代流行的是實(shí)證主義，以馬赫為首的一批科學(xué)家和哲學(xué)家認(rèn)為，如果某種東西從來沒有被觀察到，那談?wù)撍钟惺裁匆饬x呢？
因此，如何實(shí)際證明和測量分子的存在，就成了一個(gè)很重要的問題。愛因斯坦對(duì)這個(gè)問題一直很感興趣，之前也曾經(jīng)發(fā)表過幾篇關(guān)于分子測量的論文。奇跡年論文的第二篇，就是他利用流體力學(xué)中的技巧，試圖測量液體中分子大小的一篇文章。在六篇奇跡年論文中，這篇的名氣恐怕是最小的，但“實(shí)際意義”卻最大——它是愛因斯坦的博士論文，為他贏得了博士學(xué)位。
此后，愛因斯坦的注意力就轉(zhuǎn)到了布朗運(yùn)動(dòng)上。所謂“布朗運(yùn)動(dòng)”，是英國植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象，當(dāng)你用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些花粉似乎永遠(yuǎn)都像無頭蒼蠅一般，左搖右晃，看似隨機(jī)地四處亂動(dòng)。這種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，后來就被稱作布朗運(yùn)動(dòng)。
為什么會(huì)產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)？它的根源是什么？人們在很長一段時(shí)間里都迷惑不解，也曾提出過許多不同的假設(shè)。但直到十九世紀(jì)八十年代，一些科學(xué)家才提出這樣的想法——布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。花粉在水中受到來自四面八方的水分子的不停推搡，因此被推得“東倒西歪”，看上去就似乎在做無規(guī)律的曲折運(yùn)動(dòng)。
愛因斯坦敏銳地想到，如果這種假設(shè)是正確的話，那么，雖然分子本身以當(dāng)時(shí)的技術(shù)是觀察不到的，但我們完全可以從花粉的運(yùn)動(dòng)中，反推出分子的種種性質(zhì)來。不妨想象這樣一個(gè)場景：在黑夜的廣場上，有一大群喝得爛醉的醉鬼。廣場上沒有燈，而每個(gè)醉鬼都穿著黑衣服，于是我們什么也看不見。突然，一個(gè)穿白衣服的人跑進(jìn)了廣場。這時(shí)會(huì)發(fā)生些什么呢？顯然，這個(gè)可憐的人會(huì)時(shí)時(shí)刻刻遭到來自各個(gè)方向的醉鬼的碰撞，被推得趔趔趄趄，走路也七歪八扭。愛因斯坦的意思就是，雖然我們一個(gè)醉鬼也看不見，但只要仔細(xì)研究這個(gè)穿白衣的人的行為，完全可以推算出這個(gè)廣場上到底有多少醉鬼，每個(gè)醉鬼平均有多壯，或者兩個(gè)醉鬼之間的平均距離是多少……顯然，在這里醉鬼就是分子，白衣人就是花粉，通過對(duì)花粉的布朗運(yùn)動(dòng)的研究，也可以給我們打開一扇通往原子和分子世界的大門。
這就是奇跡年論文中第三篇和第六篇的主題。當(dāng)然，論文的具體細(xì)節(jié)這里沒必要展開，總之，愛因斯坦通過研究布朗運(yùn)動(dòng)，給出了具體的測算分子質(zhì)量以及阿弗伽德羅常數(shù)的方法，后來，這由其他科學(xué)家進(jìn)行的具體的實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算，成為證實(shí)分子論的有力武器。原子和分子的假設(shè)可說是現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)之基礎(chǔ)，費(fèi)曼曾經(jīng)說過，假如發(fā)生了某種災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)都丟失了，只允許留一句話給后人，這句話應(yīng)該是：物質(zhì)是由原子組成的。這一假設(shè)的真實(shí)性得到證明，意義可想而知，而愛因斯坦就是其中最重要的指路人之一。
上面三篇是第一類，關(guān)于分子論和布朗運(yùn)動(dòng)。第二類論文則是關(guān)于光電效應(yīng)的，只有一篇，就是奇跡年發(fā)表的第一篇論文。當(dāng)時(shí)，光是一種電磁波的認(rèn)識(shí)早已根深蒂固。而當(dāng)光照在金屬上時(shí)，它會(huì)從金屬表面打出一些電子來，這就叫光電效應(yīng)。但研究光電效應(yīng)的時(shí)候，有一個(gè)令人頭痛的問題：如果光是一種波，那么光電效應(yīng)中的一些現(xiàn)象就怎么也解釋不了。
愛因斯坦大膽地指出，在光電效應(yīng)中，只有假設(shè)光是一種“能量子”，是離散地作用在金屬表面上的，才能解釋實(shí)驗(yàn)中所觀察到的種種現(xiàn)象。這個(gè)假設(shè)聽起來簡單，在當(dāng)時(shí)可謂石破天驚。因?yàn)楣馐且环N波，這是麥克斯韋電磁理論的自然推論，你現(xiàn)在把它推翻，那等于是和麥克斯韋理論對(duì)著干。
那個(gè)時(shí)候，恐怕沒幾個(gè)人會(huì)想到，這篇論文點(diǎn)燃了二十世紀(jì)最偉大的兩場物理革命之一——量子論革命的導(dǎo)火索。從大膽和創(chuàng)新的意義上來說，這是六篇論文中最革命的一篇，甚至超過了相對(duì)論（愛因斯坦自己的評(píng)價(jià)）。它為愛因斯坦贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。
最后，第三類論文，自然涉及愛因斯坦最為人熟知的領(lǐng)域：相對(duì)論。相對(duì)論分狹義和廣義，1905年的兩篇論文（第四篇和第五篇）做的是狹義相對(duì)論，這個(gè)大家可能平時(shí)在科普中看到過不少，什么接近光速時(shí)能使尺子變短、時(shí)間變慢之類，我也就不多說了。作為一門全新的運(yùn)動(dòng)學(xué)，相對(duì)論建立在兩個(gè)基礎(chǔ)假設(shè)之上，即相對(duì)性原理和光速不變原理，這在奇跡年的第四篇論文中明確提出過，而第五篇論文則進(jìn)一步做了說明，值得一提的是，其中還提出了一個(gè)或許是有史以來最有名的公式：E=MC2。
如果說原子論是科學(xué)的基礎(chǔ)，那么，相對(duì)論和量子論則是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。在1905年，愛因斯坦一個(gè)人同時(shí)吹響了這兩大革命的號(hào)角，為兩個(gè)理論分別奠定了根基，這實(shí)在是非常了不起，可以說是科學(xué)史上的傳奇。1905年的這六篇論文，三個(gè)研究領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域的成就無疑都該得一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，也就是說，這一年的工作至少該得三個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。加上后來的廣義相對(duì)論，愛因斯坦一生至少應(yīng)該有四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，其中三個(gè)都是1905年的工作。不過，他只因?yàn)楣怆娦?yīng)的工作拿了一個(gè)。當(dāng)然，愛因斯坦的歷史地位也無需用諾貝爾獎(jiǎng)的數(shù)量來衡量了。
問：您曾經(jīng)提到，相對(duì)論的意義是不是諾貝爾獎(jiǎng)所能評(píng)價(jià)的，還很難說。為什么會(huì)這樣說？
曹天元：你只要這樣想，相對(duì)論是和量子論齊名的二十世紀(jì)兩大物理理論，量子論的創(chuàng)立史上群星璀璨，少說也有二十來人因此拿了諾貝爾獎(jiǎng)。而相對(duì)論的故事則更像是愛因斯坦的個(gè)人傳奇，要是對(duì)等一下的話，豈不是說愛因斯坦一個(gè)人就應(yīng)該為此拿二十多個(gè)諾獎(jiǎng)？
不過在名氣上，相對(duì)論似乎完爆量子論。讓一個(gè)普通人列舉二十世紀(jì)的科學(xué)理論，恐怕百分之九十九的人都會(huì)第一個(gè)說出相對(duì)論，而知道量子論的人卻少得多。雖然愛因斯坦也曾為量子論的誕生做出了不小的貢獻(xiàn)，但人們總是更愿意把他和相對(duì)論聯(lián)系起來。顯然，愛因斯坦和相對(duì)論已經(jīng)在公眾中被永遠(yuǎn)地關(guān)聯(lián)在了一塊，日積月累，兩者的名氣大概也互相疊加了好幾倍。
話又說回來，科學(xué)有時(shí)候也是需要這樣的“標(biāo)簽”的，正如說到巴黎就想到埃菲爾鐵塔一樣，說到“科學(xué)理論”就想到相對(duì)論，我們就當(dāng)它是一個(gè)“科學(xué)代言人”的角色吧。
問：同樣是“奇跡年”，愛因斯坦的1905年與牛頓的1666年有可比性嗎？兩者孰輕孰重？
曹天元：關(guān)公戰(zhàn)秦瓊一向是讀史者最愛做的事情之一，但牛頓的成就確實(shí)是很難挑戰(zhàn)的。這與個(gè)人才華無關(guān)，牽涉的是歷史地位的問題。在科學(xué)啟蒙的時(shí)代，牛頓是一個(gè)開天辟地的角色。牛頓的1666年，往小了說是給力學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)打下了基礎(chǔ)，往大了說，幾乎就是搭起了整個(gè)現(xiàn)代科學(xué)的架構(gòu)。而愛因斯坦站在牛頓的肩膀上，至多只能是改良和翻新前輩留下的學(xué)說，任你技巧高出一萬倍，這個(gè)地位總是超不過去的。
不過，從創(chuàng)造奇跡的“難度”上說，我覺得愛因斯坦更勝一籌。首先，牛頓的事跡有些模糊，據(jù)科學(xué)史家研究，他的一些成就其實(shí)并不是在1666年中做出的，而是1665年，而關(guān)于萬有引力定律的爭論則更是一個(gè)長久的話題。大多數(shù)人認(rèn)為，1666年的牛頓對(duì)此只有非常基本的認(rèn)識(shí)，絕大多數(shù)工作都是后來做的，自然也就不能算在奇跡年里。相比之下，愛因斯坦的論文斑斑可考，毫無爭議。
其次，牛頓時(shí)代的科學(xué)研究還未成形，競爭者也極少，有大片未開發(fā)的荒蕪領(lǐng)域。而在愛因斯坦的年代，人們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)被研究得徹徹底底，再也沒有什么角落遺漏了，不要妄想做出什么大的突破，而愛因斯坦硬是在這樣的背景下掀起了兩大革命。因此，牛頓的成就固然偉大，但并不讓人意外，而愛因斯坦的事跡就讓人拍案稱奇了。
最后，從當(dāng)時(shí)兩人的生活狀況來看，牛頓在大學(xué)里任職，本來就是專門做研究的，而且，他在鄉(xiāng)下老家躲避瘟疫，環(huán)境清靜，心無旁騖。而愛因斯坦壓根就不是“專業(yè)研究人員”，他的正職是伯爾尼專利局職員，研究物理是他的“業(yè)余工作”。他當(dāng)時(shí)剛畢業(yè)不久，有妻有子，四個(gè)人（包括他的妻弟）擠在一間不到三十平方米的公寓中，收入又極微薄，不得不一直搬家（相對(duì)論的論文就是在搬家后的一個(gè)月發(fā)表的）。家庭、經(jīng)濟(jì)、事業(yè)的壓力之大可想而知，在這種生活條件下，做出堪稱奇跡的成就，似乎比牛頓要更“牛”一些。
總之，牛頓的奇跡年更“偉大”，而愛因斯坦的奇跡年更“奇跡”，我是這么認(rèn)為的。
牛頓
問：當(dāng)時(shí)的愛因斯坦，在專利局中以筆和紙就完成了這些不可思議的工作。那么，在科學(xué)高度發(fā)達(dá)的今天，乃至未來，還會(huì)不會(huì)出現(xiàn)這種富有傳奇色彩的個(gè)人英雄主義行為？
曹天元：正如前面所說，愛因斯坦的成就不是在大學(xué)，而是在專利局中完成的，許多“民間科學(xué)家”因此特別喜歡愛因斯坦，總幻想自己也能成為愛因斯坦第二（盡管愛因斯坦本人是正規(guī)大學(xué)物理系科班畢業(yè)的學(xué)生）。不過，愛因斯坦的時(shí)代和今天又有了很大的不同，哪怕在理論研究領(lǐng)域，“單打獨(dú)斗”的情況已經(jīng)很少見了，更不要說這種基礎(chǔ)性的突破。
造成這種狀況的因素有許多。首先當(dāng)然是現(xiàn)代科學(xué)的高度發(fā)達(dá)，各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)是如此的細(xì)化，以致一個(gè)人窮盡一生，能夠研究透一個(gè)分支中的某個(gè)具體問題已經(jīng)很不容易，更談不上同時(shí)在幾個(gè)方向上取得顛覆性的成就。
其次，專業(yè)科學(xué)家的數(shù)量發(fā)生了幾何級(jí)的增長，導(dǎo)致“科學(xué)競爭”前所未有的激烈。在1905年，狹義相對(duì)論誕生的條件其實(shí)已經(jīng)非常成熟了，提出這個(gè)理論并不需要太高明的才華。假如愛因斯坦當(dāng)時(shí)面臨的是如今這樣龐大的研究者群體，他是否還能第一個(gè)提出狹義相對(duì)論，那就不好說了。
最后，如今的研究早已不是一支筆一張紙就可以完成的了，所需要的人力物力數(shù)目龐大，資金動(dòng)輒上千萬，這不是一個(gè)人所能做到的。比如前一陣發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子，為了證實(shí)這個(gè)東西，光建造加速器就是四十億美元，別說個(gè)人，哪怕是一個(gè)國家都承受不起，只得展開合作。事實(shí)上，今天的教授與其說是研究者，不如說是團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目經(jīng)理，像愛因斯坦那種個(gè)人作坊式的研究不能說沒有，但可以說數(shù)量極少，而且絕不會(huì)出現(xiàn)在最基礎(chǔ)、最熱門的領(lǐng)域里。
所以說，未來要再出一個(gè)愛因斯坦那樣的人物，難度恐怕不小。即使有，那也應(yīng)該是以團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者的角色出現(xiàn)，而不是個(gè)人研究者。這就像在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，再想要出現(xiàn)以個(gè)人武勇而聞名的將軍，似乎也不大可能。這本身就說明科學(xué)已經(jīng)取得了翻天覆地的進(jìn)步，我個(gè)人覺得無需為此惋惜。個(gè)人英雄主義的故事可以為科學(xué)史增添傳奇色彩，但科學(xué)的魅力，終究還是根植于它的理論之中。
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